水电站大型进水球阀阀体铸造质量缺陷处理

姜学谦+张辰

摘要：在电站机组检修过程中，Cr-Mo铸钢阀体阀门开裂的现象较为常见，其原因大多是Cr-Mo钢阀铸件的生产制造中存在缺陷。在认真分析Cr-Mo钢的金属性能以及热加工性能的基础上，采用镍基焊条冷补的方法，严格遵循焊前、焊接以后焊后处理的相关要求，能够对Cr-Mo铸钢阀体阀门进行修复，并收到较好的修复效果。

关键词：Cr-Mo钢；阀体阀门开裂；补焊工艺

大型铸造阀门是电站金属技术监督的重要部件之一，由于其应用范围很广，一旦出现问题将会造成巨大的损失。Cr-Mo钢是一种合成材料，很有较多的合金元素，具有很好的耐腐蚀性和耐热性，能够在高温下保持良好的工作性能，近些年，因为大型铸件存在的裂纹缺陷造成了很多恶性事故，严重维系到机组运行的安全性和可靠性，电站工作人员必须对裂纹的形成原因进行分析，根据实际情况选择合适的补焊工艺，保证机组的安全运行。

1.Cr-Mo钢的性能

Cr-Mo钢含有Cr、Mo和V等合金元素，其合金系统包括Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V-B以及Cr-Mo-V-Ti-B等，其中，Cr元素能够与O结合形成Cr2O3和FeO？Cr2O3等致密的合金氧化膜，合金氧化膜能够与钢部件表面牢固结合，能够阻挡氧原子以及一些腐蚀性物质向钢材内部进行扩散，因此能够提高Cr-Mo钢的抗氧化性能和高温耐腐蚀性能。Cr-Mo钢中的铬元素含量达到13%及以上时，钢材的耐腐蚀性能将会大大提高，此时，Cr-Mo钢将变成不锈钢。Mo是一种高熔点的金属，Cr-Mo钢中含有的Mo元素能够形成单相固溶体，可以阻挡原子的扩散或自扩散过程，增加原子之间的结合力，即便在较高的温度条件下也能够避免钢件内部的高强度不平衡组织发生再结晶转变，从而提高Cr-Mo钢的强度和耐热性。V是强碳化物形成元素，碳化钒具有很高的硬度和熔点，晶体结构非常复杂。钒的晶格结构与钢基体组织的晶格结构存在差异，在高温下具有很好的稳定性，不会发生溶解，也不会聚集长大。在高温下，钒能够与周围的组织产生很强的应力场，防止钢组织发生错位运动，因此也能够提高Cr-Mo钢的强度和耐热性。以Cr-Mo钢作为基础的低、中合金一般都具有很好的抗氧化性能和耐热性，在实际生产中被广泛应用于蒸汽动力发电设备的制造。

大部分的耐热Cr-Mo钢存在铸造工艺差、性能差的问题，铸件的转角及其他部位常常存在缺陷。水电站阀的阀体和阀盖等铸件一般厚度较大，因此大口径Cr-Mo钢电站阀的阀体和阀盖逐渐经常出现裂缝、砂眼等问题，而且缺陷大都出现在形状突变处以及壁厚较大的地方。

2.缺陷的判定及处理

进水球阀的采购合同规定，球阀在出厂之间必须进行预装，必须进行强度试验、渗漏试验和动作试验，合格之后才能出厂。强度试验中，球阀承受的水压不，得低于5.1MPa，承受的油压不能低于9.45MPa，试验的持续时间一般为10min。在此期间，受压部件没有出现永久性的有害变形以及渗漏等情况者视为合格。空气阀和伸缩节应当在5.1MPa压力之下进行水压试验，出现渗漏者视为不合格。旁通阀应在5.1MPa压力之下进行水压试验，允许出现点滴渗漏。渗漏试验的压力为2.7MPa，持续时间一般为30min，轴颈密封处、进水球阀以及阀壳分半面出现漏水现象则视为不合格。

根据JB/T 3595-93的规定，可以将Cr-Mo钢铸件存在的缺陷分为三级。去除缺陷之后，铸件的壁厚大于图纸的壁厚最小值则视为微缺陷；重缺陷分为以下三种情况：经过水压试验渗漏；去除缺陷之后，铸件的凹坑深度超过壁厚最小值的20%或25mm中的较小者；去除缺陷之后，铸件的凹坑面积超过65cm2；轻缺陷介于微缺陷和重缺陷之间。JB/T 3595规定，存在微缺陷的铸件需要进行打磨，实现与周围区域的光滑过渡；轻缺陷大于5mm的铸件应当进行补焊；对于存在重缺陷的铸件，当凹坑面积在65cm2以上100cm2以下时应当进行补焊，补焊后要进行无损探伤检查，达不到标准的铸件要进行报废处理。当缺陷的平均深度超过了壁厚的1/3，而且凹坑面积在100cm2以上时，应当经由厂级主管技术负责人批准，按照规定的工艺进行补焊，否则应当报废。裂缝处理过程中，同一部位的补焊次数不能超过2次，对于存在无法清除干净的、大面积的气孔、贯穿性裂缝等缺陷，且所在部位无法进行补焊，或者是补焊之后无法达到规定质量也无法进行检验的铸件应当不予补焊，直接进行报废处理。

3.合理选择补焊工艺

针对不同材质、不同结构的钢铸件，使用的补焊工艺不尽相同。常用的补焊工艺包括热补法、异质冷补法以及同质冷补法，每种工艺都有自己的适用范围和使用条件。热补法和同质冷补法需要对钢铸件进行整体热处理从而消除焊接产生的残余应力，因此不具备大型热处理炉的工厂不能够使用这两种补焊工艺。异质冷补法采用镍基焊条，这种焊条具有很好的稳定性、可塑性以及抗裂性，焊前不需要预热，焊后也不需要进行热处理，适合现场修复。异质冷补法的工艺较为简单，补焊成本较低，工作量比较小，产生的形变量也较小，具有较为广泛的应用。

4.冷补焊工艺的操作要点

4.1裂纹挖除

Cr-Mo钢铸件的补焊方法与碳钢和不锈钢不同，由于补焊过程中，焊接熔池区域的温度能够达到2500℃以上，在焊接冷却时可能产生马氏体等硬脆组织，也可能产生裂纹，因此必须严格遵守焊接操作规范，减少一切不利因素的影响。补焊开始之前要烘焙焊条，将其放置在保温筒中备用，钢铸件上的裂纹必须彻底挖除，先在裂纹两端打上止裂孔然后再进行清理。裂纹挖除应当尽量采取机械加工方法，不能够采用热加工方法，避免裂纹继续扩展。焊接区域周围20mm内的油污、锈蚀等都要清理干净，缺陷清除之后要将其加工成热加工方法，并采用渗透探伤等方法来检测清除效果。

4.2坡口设计

补焊部位的坡口设计应合理，坡口过大会增加填充金属量，扩大焊缝的热影响区，坡口过小会影响焊缝、坡口以及母材的熔化效果，影响焊接质量。坡口一般为U形，内部应当平滑，不能出现尖角槽或者棱角，角度在20°左右。补焊过程中要严格控制形变量和焊接应力，尽量缩短工期。

4.3焊前预热与焊接处理

焊接之前应对补焊区域进行预热，预热应均匀，温度控制在200℃左右，可以一边进行预热，一边用红外测温仪测量温度。焊材选用一般选取ENiCrFe-3焊条，焊接时一般采用多层多道焊，第一层一般用直径比较小（3.2mm直径）的焊条，进行小电流短弧焊接，焊接时应固定焊条，不能出现摆动，之后可以选择直径较大的焊条，无需固定。焊接电特性参数须严格按照相应的焊接工艺评定。一般4.0mm焊条电流：140～180A，5.0mm：180～240A。

4.4打底层检验

每焊接一道焊缝之后都要进行焊渣清理，复层焊接应当控制层间的温度，一般在300℃以下为宜。焊接完打底层之后要用石棉被遮盖补焊区对其保温，当其温度降至室温后开始进行磁粉检验，确认没有缺陷之后再进行填充层的焊接，这样的处理方式能够提高一次焊接成功的几率。补焊完毕之后要将补焊区域周围的焊接飞溅清理干净，并对焊缝进行打磨，使焊缝与周围区域实现圆滑过渡。補焊完毕之后还要对补焊区域进行超声探伤评定，评定等级达到三级则视为合格，必要时还要进行磁粉探伤或者着色探伤评定。

4.5锤击焊道

焊接过程中要锤击除打底层焊缝之外的各层焊缝，每焊接30 mm应立即使用圆顶锤进行顺序跟踪锤击，直到焊缝上布满麻点为止，从而有效消除焊接应力。

结语：

球阀的制造质量对于保证机组的安全运行至关重要，尤其是对于大型球阀，更要注重其质量控制，防止球阀存在先天性不足而给水电站的运行埋下安全隐患。在球阀的制造和验收过程中应特别注意Cr-Mo钢阀体铸件的质量，从Cr-Mo钢的金属学原理出发，采取合适的铸件补焊工艺并严格执行，能够很好的解决Cr-Mo钢铸件存在的缺陷和问题，能够达到和满足Cr-Mo钢电站阀门的力学性能要求。

参考文献：

[1]李刚，李丽霞.浅论某水电站大型进水球阀阀体铸造质量缺陷处理[J].水电站机电技术，2014，37（6）：62-63.

[2]田海宇.电站阀门阀体密封面深孔堆焊工艺分析[J].科技创新与应用，2013（23）：99.endprint